虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)

李紅莉， 胡 毅， 張 陽， 白黎昊， 王宏濤

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009）

0 引 言

新工科人才培養(yǎng)注重提升學(xué)生的綜合能力，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)是實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)［1］。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measurement Machine，CMM）在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，它是現(xiàn)代制造過程、工業(yè)檢測(cè)、質(zhì)量控制和產(chǎn)品檢驗(yàn)中不可或缺的大型高精度、高效率、萬能性測(cè)量?jī)x器［2］。對(duì)于儀器類測(cè)控專業(yè)的學(xué)生來說，掌握坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)外高校都比較關(guān)注虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，但關(guān)于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)較少?，F(xiàn)有實(shí)現(xiàn)方式主要為通過AVCMMs 提供形象的圖形表示以及CMM模擬測(cè)量操作［3］；采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬建模及模擬測(cè)量［4］；基于Pro／E 三維建模軟件構(gòu)建虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)［5］。

本設(shè)計(jì)采用虛擬儀器設(shè)計(jì)思想，將虛擬技術(shù)與坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)相結(jié)合［6-9］，開發(fā)虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，完成典型幾何量測(cè)量任務(wù)，構(gòu)建虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)教學(xué)平臺(tái)，以便應(yīng)用于誤差理論與數(shù)據(jù)處理、檢測(cè)技術(shù)等課程教學(xué)實(shí)踐中，彌補(bǔ)因坐標(biāo)測(cè)量機(jī)貴重稀少而難以開設(shè)實(shí)驗(yàn)的問題，更好地服務(wù)于新工科人才培養(yǎng)。

1 系統(tǒng)方案

虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)以移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為原型，以“機(jī)械建模-運(yùn)動(dòng)控制”框架為設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

利用SolidWorks環(huán)境完成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和三維建模、運(yùn)動(dòng)分析以及添加相應(yīng)的傳感器模塊；結(jié)合典型幾何量測(cè)量中的圓度測(cè)量實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，基于LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)編寫測(cè)量控制實(shí)驗(yàn)程序［10-11］。借助SoftMotion for SolidWorks工具包協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與測(cè)量控制程序之間的聯(lián)動(dòng)［12-13］，方便學(xué)生進(jìn)行虛擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

2 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)SolidWorks建模

2.1 裝配體建立

為提高程序運(yùn)行效率，利用SolidWorks 對(duì)虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)裝配體進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)外觀尺寸為X ＝（1 350 ±100）mm；Y ＝（1 960 ±100）mm；Z ＝（1 300 ±100）mm，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為（200，200，800）。為方便建模及在測(cè)量過程中觀察測(cè)頭的狀態(tài)，將虛擬測(cè)量機(jī)測(cè)頭的球頭直徑選取為11 mm。

同時(shí)，為滿足圓度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的需要，將被測(cè)件設(shè)計(jì)為圓柱體，基圓半徑為200 mm，高度為200 mm，使其基圓圓心與虛擬測(cè)量機(jī)工作臺(tái)的中心重合，固定坐標(biāo)為（792.5，1 082.5，0），通過左右兩半圓柱面截面圓直徑的偏差設(shè)計(jì)，將被測(cè)圓柱體圓度預(yù)設(shè)為15 mm。

虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)裝配體如圖2 所示。

2.2 傳感器添加

為方便后續(xù)能夠基于SoftMotion 工具聯(lián)動(dòng)控制虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)動(dòng)作，需要根據(jù)測(cè)量機(jī)的測(cè)量功能要求，在三維建?；A(chǔ)上添加合適的傳感器［14］。

圖2 虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)裝配體

為獲得測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)值，在X、Y、Z 軸方向上添加尺寸傳感器，通過模擬量傳遞給SoftMotion 工具模塊，以提供三軸的移動(dòng)距離。

為完成虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)圓度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，需要檢測(cè)測(cè)頭和待測(cè)圓柱側(cè)曲面之間的接觸，即需要一個(gè)觸發(fā)信號(hào)表示測(cè)頭已接觸工件。因此分別在測(cè)頭與圓柱側(cè)表面之間添加測(cè)量傳感器。由于待測(cè)圓柱體左右側(cè)被特意設(shè)定為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故需要分別在測(cè)頭與左圓柱面、測(cè)頭與右圓柱面之間添加測(cè)量傳感器，通過測(cè)量傳感器讀取兩表面間的距離，并通過距離小于1 mm時(shí)報(bào)警的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)測(cè)頭觸發(fā)報(bào)警功能。設(shè)計(jì)中將報(bào)警距離設(shè)置為0.5 mm，達(dá)到報(bào)警距離時(shí)，測(cè)頭將自動(dòng)停止原方向移動(dòng)。

虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)模型上的傳感器添加完成如圖3所示。

圖3 添加傳感器

2.3 電動(dòng)機(jī)添加

在裝配體中添加了傳感器后，為使虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三軸能夠運(yùn)動(dòng)，還需要在motion 插件下選擇運(yùn)動(dòng)算例，在三個(gè)基準(zhǔn)軸方向添加直線電動(dòng)機(jī)，將運(yùn)動(dòng)模式選擇為“距離”模式，并設(shè)置起止時(shí)間。電動(dòng)機(jī)添加及參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。

對(duì)3 個(gè)線性電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定后，即可進(jìn)行動(dòng)畫仿真分析，利用SolidWorks 軟件查看motion 運(yùn)動(dòng)部分設(shè)置的效果，通過測(cè)試確定合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，保證虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)各組件能夠沿軸方向運(yùn)動(dòng)，標(biāo)注的坐標(biāo)軸尺寸能夠隨動(dòng)變化。最后保存好SolidWorks裝配體，即完成了虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)建模過程。

圖4 線性電動(dòng)機(jī)添加示意圖

3 測(cè)量控制程序

3.1 程序框架

基于LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)創(chuàng)建項(xiàng)目，在項(xiàng)目中建立測(cè)量控制程序與測(cè)量機(jī)三維模型的運(yùn)動(dòng)控制關(guān)系。虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想編寫，主程序流程如圖5 所示，LabVIEW 程序代碼如圖6 示例。

圖5 主程序流程

程序運(yùn)行后，進(jìn)行初始化工作，包括驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)自動(dòng)歸零動(dòng)作以及對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)單元的清空操作；根據(jù)人機(jī)交互要求操控虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)完成相應(yīng)動(dòng)作和測(cè)量任務(wù)。程序核心部分是手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)。

圖6 程序示例

3.2 手動(dòng)測(cè)量

在手動(dòng)測(cè)量模式下，程序?qū)⒏鶕?jù)人機(jī)交互中學(xué)生選擇的上下、左右、前后按鍵決定測(cè)頭沿Z 軸、X 軸或Y軸移動(dòng)，按鍵按住不放將持續(xù)運(yùn)動(dòng)，松開按鍵即停止，當(dāng)觸測(cè)到被測(cè)件時(shí)，自動(dòng)輸出觸發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)，且使測(cè)頭模擬真實(shí)測(cè)量情景，自動(dòng)回退到一定安全距離。手動(dòng)測(cè)量程序流程如圖7 所示。

圖7 手動(dòng)測(cè)量程序流程

3.3 自動(dòng)測(cè)量

選擇自動(dòng)測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)量操作時(shí)，程序?qū)⑹紫瓤刂茰y(cè)頭歸零，即令測(cè)頭自動(dòng)回到初始原點(diǎn)，之后根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的測(cè)量策略（包括測(cè)點(diǎn)數(shù)量及其分布），按照規(guī)劃好的路徑分別完成所有樣點(diǎn)的采集。每次采樣過程，當(dāng)測(cè)頭感應(yīng)觸測(cè)到被測(cè)件時(shí)，將自動(dòng)輸出觸發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)，并使測(cè)頭自動(dòng)回退到一定安全距離。自動(dòng)測(cè)量程序流程如圖8 所示。

3.4 圓度計(jì)算

設(shè)計(jì)選取圓度測(cè)量為例展示虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量功能。采用點(diǎn)位法進(jìn)行圓度測(cè)量［15-16］，測(cè)頭在被測(cè)截面圓周上間隔采點(diǎn)，對(duì)所得采樣點(diǎn)利用最小二乘方法擬合計(jì)算圓度。圓度計(jì)算程序如圖9 所示。

圖8 自動(dòng)測(cè)量程序流程

圖9 圓度計(jì)算程序

4 系統(tǒng)測(cè)試

虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)SolidWorks三維模型如圖10（a）所示，LabVIEW測(cè)量控制程序界面見圖10（b），使用虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要打開虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)SolidWorks三維模型，并運(yùn)行LabVIEW 測(cè)量控制項(xiàng)目程序。學(xué)生可通過程序界面靈活操作虛擬測(cè)量機(jī)測(cè)頭沿X、Y、Z 軸向自由移動(dòng)、定位移動(dòng)或者執(zhí)行歸零操作，移動(dòng)到位時(shí)將點(diǎn)亮相應(yīng)“歸位”或“到達(dá)”指示燈。

學(xué)生可以選擇手動(dòng)或自動(dòng)模式進(jìn)行圓度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。如圖11（a）所示，當(dāng)測(cè)頭接近圓柱體發(fā)出觸測(cè)信號(hào)時(shí)，將點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)“碰撞”指示燈，同時(shí)反方向回退一定安全距離，模擬真實(shí)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭觸測(cè)動(dòng)作；同時(shí)將三軸坐標(biāo)值反饋顯示在程序界面上，見圖11（b）。

在測(cè)得圓周分布一定點(diǎn)數(shù)后，可通過計(jì)算按鈕自動(dòng)求出圓度誤差。學(xué)生通過圓度計(jì)算將會(huì)發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與圓度預(yù)設(shè)值存在差異，該誤差主要是由兩個(gè)軟件平臺(tái)運(yùn)行同步差異以及測(cè)頭的觸測(cè)誤差引起的，同時(shí)包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響，不同測(cè)量循環(huán)的圓度計(jì)算結(jié)果是不同的，該現(xiàn)象符合真實(shí)測(cè)量的情景，有助于學(xué)生深刻理解測(cè)量誤差的概念、來源及其影響。

圖10 虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭移動(dòng)

圖11 虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量顯示

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)、搭建虛擬坐標(biāo)測(cè)量機(jī)教學(xué)平臺(tái)，對(duì)移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行SolidWorks 建模，編制了LabVIEW測(cè)量控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)人機(jī)交互友好，結(jié)合《檢測(cè)技術(shù)》等課程，能夠?qū)崿F(xiàn)圓度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠有效避免坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)備不足或損傷問題，節(jié)約教學(xué)成本，增強(qiáng)教學(xué)效果。后續(xù)將不斷豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以方便學(xué)生更好地掌握坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用。